1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Известия РАН. Серия физическая
  4. T. 85, № 7, 2021

Известия РАН. Серия физическая, 2021, T. 85, № 7, стр. 918-926

Методология и результаты изучения состояний водорода в графене, графите и сталях

Ю. С. Нечаев 1, *, Н. М. Александрова 1, Н. А. Шурыгина 1, А. О. Черетаева 2, Е. А. Денисов 3, Е. К. Костикова 4

1 Федеральное государственное унитарное предприятие “Центральный научно-исследовательский институт черной металлургии имени И.П. Бардина”, Научный центр металловедения и физики металлов
Москва, Россия

2 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования “Тольяттинский государственный университет”, Научно-исследовательский институт прогрессивных технологий
Тольятти, Россия

3 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования “Санкт-Петербургский государственный университет”, физический факультет
Санкт-Петербург, Россия

4 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки “Карельский научный центр Российской академии наук”, Институт прикладных математических исследований
Петрозаводск, Россия

* E-mail: yuri1939@inbox.ru

Поступила в редакцию 25.01.2021
После доработки 25.02.2021
Принята к публикации 29.03.2021

Полный текст (PDF)

Аннотация

Разработана и апробирована для углеродных наноструктур, графитовых материалов и сталей методология эффективной аппроксимации гауссианами и обработки (в приближении реакций первого и второго порядка) спектров термодесорбции водорода, полученных с использованием одной скорости нагрева. Определены энергии активации и константы скорости процессов десорбции водорода.

ВВЕДЕНИЕ

Как известно, проблема детального изучения состояний и характеристик водорода в углеродных структурах и сталях является весьма актуальной в связи с влиянием водорода на физические свойства и технологические процессы в таких функциональных и конструкционных материалах.

Основным общепринятым методом изучения данной проблемы является термодесорбционная спектроскопия (ТДС) водорода с использованием нескольких скоростей линейного нагрева образца, так называемый метод Киссинджера, описанный, например, в [1–4]. Однако этот метод, наряду с большой трудоемкостью, характеризуется жесткими ограничениями его применения, отмеченными в [1–5].

В этой связи представляется целесообразным дальнейшее развитие эффективной методологии [5–9] термодесорбционной спектроскопии водорода с использованием одной скорости линейного нагрева образца применительно к ряду представительных ТДС данных для углеродных структур [10, 11] и сталей [12–16], чему посвящена данная работа.

МЕТОДОЛОГИЯ И МАТЕРИАЛЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Нами была применена (для ряда углеродных структур [10, 11] и сталей [12–16]) и получила дальнейшее развитие эффективная методология [5–9] “обработки” (аппроксимации) и детального анализа ТДС данных, полученных с использованием одной скорости линейного нагрева образцов.

Разработанная методика [5–9] не менее информативна, но гораздо менее трудоемка в экспериментальном плане по сравнению с общепринятым методом Киссинджера, который требует использования нескольких скоростей линейного нагрева образцов и имеет жесткие пределы применимости, отмеченные в работах [1–5].

Развитый подход позволяет из ТДС данных для одной скорости нагрева определить энергии активации (Q) и предэкспоненциальные множители (K0) констант скорости (K) процессов десорбции, соответствующих различным самопроявляющимся (в определенной мере) термодесорбционным пикам (состояниям) с различными температурами (Tmax) максимальной скорости десорбции.

Кроме того, методология позволяет выявить атомные механизмы процессов десорбции (путем термодинамического анализа полученных характеристик пиков (состояний) и сравнения с соответствующими независимыми экспериментальными и теоретическими данными).

Основная цель такой методологии – дальнейшее раскрытие малоизученной физики различных состояний водорода в углеродных структурах и особенно в сталях, а не тщательное математическое описание и/или численное моделирование термодесорбционных спектров (ТДС). При этом учитывается как большая разница, так и большой разброс известных экспериментальных и теоретических значений термодинамических характеристик процессов десорбции в таких материалах.

Разработанная методология содержит несколько последовательных этапов ее реализации, включая использование нескольких сформулированных критериев достоверности и некоторой проверки результатов с помощью методов численного моделирования [9], что подробно описано в [7].

АНАЛИЗ РЯДА ТЕРМОДЕСОРБЦИОННЫХ СПЕКТРОВ ВОДОРОДА. РЕЗУЛЬТАТЫ ДЛЯ ГИДРИРОВАННОГО ЭПИТАКСИАЛЬНОГО ГРАФЕНА

В [10] изучали индуцированный адсорбцией водорода фазовый переход в эпитаксиальном графене, содержащем от 1 до 4 графеновых слоев на подложке Pt (111), к алмазоподобной структуре, близкой к структуре графана [17, 18]. При этом применяли несколько (в т. ч. ТДС) современных методов исследования. Однако свои ТДС данные, полученные с использованием одной скорости нагрева, авторы [10] практически не обрабатывали.

Результаты анализа [5–9] ТДС данных [10] для однослойного эпитаксиального графена с графаноподобной структурой и соответствующим содержанием хемосорбированного водорода представлены в табл. 1, на рис. 1а и 1б. Физика процессов, отвечающих четырем изученным термодесорбционным пикам (состояниям), детально описана в [7, 19].

Таблица 1.  

Результаты обработки [5–9] термодесорбционных спектров (ТДС) водорода для эпитаксиального наводороженного графена [10] и пиролитического графита [11] в приближении реакций первого и второго порядка (Q, Q* – энергия активации десорбционного процесса; Tmax – температура наибольшей скорости десорбции; K0 – предэкспоненциальный фактор константы скорости процесса; K(Tmax) – константа скорости процесса при Tmax; γ – доля пика в спектре; (H/C) – средняя (по образцу) атомная доля водорода; θm – доля оставшегося водорода при Tmax; погрешность в определении величин Q и ln K0 может достигать ~15%)

Пик #,
(порядок реакции) 		Tmax, K Q, кДж/моль K0, с–1 K (Tmax), с–1 Q*, кДж/моль γ (H/C)
Наводороженный графен [10]. Аппроксимация гауссианами ТДС из рис. 1а
1 (1-ый) 543 24 8.8 · 100 3.9 · 10–2 32 0.15 0.06
2 (1-ый) 640 72 5.1 · 104 6.4 · 10–2 72 0.40 0.16
3 (1-ый) 671 130 1.3 · 109 1.0 · 10–1 129 0.30 0.12
4 (1-ый) 733 224 1.4 · 1015 1.5 · 10–1 222 0.15 0.06
Наводороженный графен [10]. Компьютерное моделирование ТДС (рис. 1б)
1 (1-ый) 545 12 2.1 · 10–1 1.5 · 10–2 0.55 (θm) 0.25 0.10
2 (1-ый) 640 90 1.8 · 106 7.9 · 10–2 0.41 (θm) 0.27 0.11
3 (1-ый) 673 165 8.4 · 1011 1.3 · 10–1 0.40 (θm) 0.28 0.11
4 (1-ый) 729 195 1.2 · 1014 1.3 · 10–1 0.39 (θm) 0.20 0.08
Пиролитический графит [11]. Аппроксимация гауссианами ТДС из рис. 1в;
компьютерное моделирование ТДС (рис. 1г)
1 (1-ый) 1001 163 1.5 · 108 4.7 · 10–1 162 0.02 5.0 · 10–9
2 (1-ый) 1145 201 7.3 · 108 4.9 · 10–1 201 0.25 6.0 · 10–8
3 (1-ый) 1226 373 5.7 · 1015 7.3 · 10–1 371 0.04 1.0 · 10–8
4 (1-ый) 1300 227 5.3 · 108 4.0 · 10–1 225 0.14 3.5 · 10–8
5 (1-ый) 1389 441 2.6 · 1016 6.8 · 10–1 437 0.04 1.0 · 10–8
6 (2-ой) 1538 377 3.0 · 1012 4.7 · 10–1 376 0.51 1.3 · 10–7
Рис. 1.

Анализ [5–9] термодесорбционных спектров (ТДС) водорода для ряда углеродных структур: а) аппроксимация гауссианами ТДС (скорость линейного нагрева β = 3 K/с) для гидрированного эпитаксиального (на Pt подложке) однослойного графена [10] с алмазоподобной структурой (из-за sp3-гибридизации), сопоставимой со структурой графана [17, 18]; б) компьютерное моделирование ТДС графена [10] в приближении реакций первого порядка; в) аппроксимация гауссианами ТДС (β = 25 K/с) для пиролитического графита [11], подвергнутого облучению атомарным водородом (2 ч при ~10–2 торр и 873 K); г) компьютерное моделирование ТДС для пиролитического графита [11] в приближении реакций первого и второго порядка.

Следует отметить, что полученные характеристики пика № 4 (Q4 ≈ 224 кДж/моль(H), K04 ≈ ≈ 1.4 · 1015 с–1) близки к теоретическим [17] и экспериментальным [18] значениям энергии отрыва атома водорода от графана и частоте колебаний атома водорода в графане, соответственно, что рассмотрено в [7, 19].

РЕЗУЛЬТАТЫ ДЛЯ ПИРОЛИТИЧЕСКОГО ГРАФИТА

В [11] методом термодесорбционной спектроскопии (ТДС) изучали взаимодействие атомарного водорода с пиролитическим графитом плотностью 2.186 г · см–3. Образцы подвергали 2 ч облучению атомарным водородом при ~10–2 торр и 873 K. В термодесорбционных спектрах, получаемых с использованием трех скоростей нагрева (25, 10 и 100 K/с), рассматривали [11] только два пика (состояния).

Результаты анализа [5–9] ТДС данных [11] для пиролитического графита (6 термодесорбционных пиков) представлены в табл. 1, на рис. 1в и 1г. Физику процессов, отвечающих шести термодесорбционным пикам (состояниям), можно раскрыть, как это сделано в [5–7].

Следует отметить, что полученные характеристики для одного из основных пика № 2 (Q2 ≈ ≈ 201 кДж/моль(H), K02 ≈ 7.3 · 108 с–1) могут отвечать реакции первого порядка. Процесс может лимитироваться диффузией водорода с обратимым захватом диффузанта хемосорбционными “ловушками” (возможная модель “F*" в [20]), т.е. диффузионным процессом типа III, описанным в [19, 20]. Характеристический диффузионный размер для процесса, отвечающего пику № 2, можно оценить как Lпик № 2 ≈ (D0III[20]/K02)1/2 ≈ 2 · 10–6 см, где D0III[20] ≈ 3 · 10‑3 см2 · с–1 – предэкспоненциальный фактор соответствующего коэффициента диффузии [20].

Полученные характеристики для другого основного пика № 6 (Q6 ≈ 377 кДж/моль(2H), K06 ≈ ≈ 3.0 · 1012 с–1) могут отвечать реакции второго порядка. При этом могут лимитировать процессы рекомбинации атомов водорода в молекулы и их десорбции из обратимых хемосорбционных “ловушек” водорода (модели “G” и/или “F” в [19, 20]) на свободной поверхности образца, что описывается кинетическим уравнением Поляни–Вигнера для реакций второго порядка.

РЕЗУЛЬТАТЫ ДЛЯ АУСТЕНИТНОЙ НЕРЖАВЕЮЩЕЙ СТАЛИ 12X18H10T

В [12] изучали термодесорбцию водорода из образцов стали 12X18H10T, подвергнутых экспозиции (зарядке) различной длительности в газообразном молекулярном водороде при давлении 20 торр и температуре 770 K. Термодесорбционные спектры получали [12] с использованием одной скорости нагрева (30 K/мин) и детально не обрабатывали.

Результаты анализа [5–9] ТДС данных [12] представлены в табл. 2, на рис. 2а–2г. Обработка ТДС данных (рис. 2в и 2г) для образцов, подвергнутых зарядке различной длительности в H2 при 20 торр и 770 K, показывает, что процессы сорбции водорода из газа (H2) в сталь, до предельного насыщения (Z1, Z2, Z3, Z4) обратимых водородных “ловушек” различного типа в стали [8], очевидно, отвечающего в определенной мере изотерме сорбции Ленгмюра, протекают как реакции первого порядка. Константы скорости этих процессов близки к полученным значениям констант скорости (табл. 2) для аналогичных диффузионных процессов десорбции водорода из тех же обратимых “ловушек” в стали (при пересчете для 770 K).

Таблица 2.  

Результаты обработки [5–9] термодесорбционных спектров (ТДС) водорода для аустенитной нержавеющей стали 12Х18Н10Т [12, 13], многофазной “TRIP” (ТРИП или ПНП) стали [14], ферритно-бейнитной “FB” стали [14] и железа [14] в приближении реакций первого порядка ((H/Fe) – средняя (по образцу) атомная доля водорода; погрешность в определении величин Q и ln K0 может достигать ~15%)

Пик #
(время сорбции) 		Tmax, K Q, кДж/моль K0, с–1 K(Tmax), с–1 Q*, кДж/моль γ (H/Fe)
Сталь 12Х18Н10Т.
Аппроксимация гауссианами ТДС из рис. 4 в [12], рис. 2а и рис. 2б
1 (6 мин) 632 34.0 3.3 · 100 5.1 · 10–3 33.9 0.27 2.3 · 10–5
2 (6 мин) 891 68.7 5.5 · 101 5.2 · 10–3 68.3 0.73 6.2 · 10–5
1 (20 мин) 639 38.1 7.3 · 100 5.6 · 10–3 38.0 0.24 2.2 · 10–5
2 (20 мин) 890 77.3 2.0 · 102 5.8 · 10–3 77.1 0.76 7.0 · 10–5
1 (30 мин) 637 34.7 3.6 · 100 5.1 · 10–3 34.6 0.26 2.8 · 10–5
2 (30 мин) 891 73.6 1.1 · 102 5.5 · 10–3 73.2 0.74 8.1 · 10–5
1 (60 мин) 628 39.8 1.2 · 101 6.1 · 10–3 39.7 0.25 2.7 · 10–5
2 (60 мин) 889 71.3 8.3 · 102 5.4 · 10–3 70.9 0.75 8.3 · 10–5
Сталь 12Х18Н10Т [12]. Компьютерное моделирование ТДС из рис. 2а
1 (20 мин) 641 40 1.1 · 101 6.0 · 10–3 0.45(θm) 0.24 2.2 · 10–5
2 (20 мин) 902 86 6.1 · 102 6.4 · 10–3 0.42(θm) 0.76 7.0 · 10–5
Сталь 12Х18Н10Т (0.016 ат.% 3He) [12].
Аппроксимация гауссианами ТДС из рис. 2в и 2г
1 (30 мин) 612 32.2 2.9 · 100 5.2 · 10–3 32.1 0.06 6 · 10–6
2 (30 мин) 680 56.5 1.6 · 102 7.3 · 10–3 56.4 0.08 7 · 10–6
3 (30 мин) 854 99.7 1.0 · 104 8.2 · 10–3 99.4 0.11 1.0 · 10–5
4 (30 мин) 911 55.0 5.7 · 100 4.0 · 10–3 54.9 0.75 7 · 10–5
Сталь “TRIP” [14]. Аппроксимация гауссианами ТДС из рис. 2д
1 374 33.8 5.1 · 102 9.6 · 10–3 33.6 0.56 7 · 10–6
2 380 14.0 3.2 · 10–1 3.9 · 10–3 14.0 0.40 5 · 10–6
3 801 85.8 2.1 · 103 5.3 · 10–3 85.5 0.04 6 · 10–7
Сталь “FB” [14]. Аппроксимация гауссианами ТДС из рис. 2е
1 374 32.6 3.3 · 102 9.3 · 10–3 32.6 0.56 1.2 · 10–5
2 394 14.9 3.6 · 10–1 3.8 · 10–3 14.9 0.44 9 · 10–6
Железо. Аппроксимация гауссианами ТДС из рис. 5b (after 1h) в [14]
1 348 26.6 2.9 · 101 2.9 · 10–3 26.5 0.84 4 · 10–6
2 425 33.6 3.3 · 101 2.5 · 10–3 33.5 0.16 8 · 10–7
Рис. 2.

Анализ [5–9] ТДС водорода для ряда сталей: а) аппроксимация гауссианами ТДС (β = 30 K/мин) для стали 12Х18Н10Т [12], подвергнутой 20 мин экспозиции (зарядке) в газообразном H2 при 20 торр и 770 K; б) обработка ТДС для стали 12Х18Н10Т [12], подвергнутой зарядке различной длительности в газообразном H2 при 20 торр и 770 K; в) аппроксимация гауссианами ТДС (β = 30 K/мин) для стали 12Х18Н10Т (0.016 ат. % 3He) [12], подвергнутой 30 мин зарядке в газообразном H2 при 20 торр и 770 K; г) обработка ТДС для стали 12Х18Н10Т [12] (0.016 ат. % 3He), подвергнутой зарядке в газообразном H2 при 20 торр и 770 K; д) аппроксимация гауссианами ТДС (β = 20 K/мин) для многофазной “TRIP” (ТРИП или ПНП) стали [14], подвергнутой 1 ч электрохимической зарядке (при плотности тока 0.8 мА · см–2); е) аппроксимация гауссианами ТДС (β = 20 K/мин) для ферритно-бейнитной “FB” стали [14], подвергнутой 1 ч электрохимической зарядке (при 0.8 мА · см–2).

РЕЗУЛЬТАТЫ ДЛЯ ТРИП СТАЛИ И ФЕРРИТНО-БЕЙНИТНОЙ “FB” СТАЛИ

В [14] изучали термодесорбцию водорода из образцов многофазной “ТРИП” стали и ферритно-бейнитной стали “FB”, подвергнутых 1 ч электрохимической зарядке (при плотности тока 0.8 мА · см–2). Термодесорбционные спектры получали с использованием четырех скоростей нагрева (20, 13.3, 6.7 и 3.3 K/мин), энергии активации (для 3 пиков для ТРИП стали и 2 пиков для стали “FB”) определяли [14] при помощи метода Киссинджера.

Результаты анализа [5–9] ТДС данных [14] представлены в табл. 2, на рис. 2д и 2е. Полученные значения (табл. 2) энергии активации для пика № 1 для ТРИП стали (Q1ТРИП ≈ 33.8 кДж/моль(H)) и стали “FB” (Q1FB ≈ 32.6 кДж/моль(H)) близки (в пределах погрешностей) к значениям (Q1ТРИП[14] = 33 ± ± 5 кДж/моль, Q1FB[14] = 35 ± 5 кДж/моль), полученным в [14] при помощи метода Киссинджера. Аналогичная ситуация имеет место и для небольшого, отдельно расположенного пика № 3 в ТРИП стали (Q3ТРИП ≈ 86 кДж/моль(H), табл. 2, рис. 2д; Q3ТРИП[14] = 90 ± 25 кДж/моль, в [14]).

Вместе с тем, полученные значения (табл. 2) энергии активации для пика № 2 (перекрывающегося с пиком №1 и несколько его меньшего по площади, см. рис. 2д и 2е) для ТРИП стали (Q2ТРИП ≈ 14 кДж/моль(H)) и стали “FB” (Q2FB ≈ ≈ 15 кДж/моль(H)) существенно (за пределами погрешностей) отличаются от значений (Q2ТРИП[14] = = 28 ± 5 кДж/моль, Q2FB[14] = 27 ± 5 кДж/моль), полученных в [14] при помощи метода Киссинджера. Это, очевидно, связано с отмеченными выше ограничениями применимости метода Киссинджера.

РЕЗУЛЬТАТЫ ДЛЯ АУСТЕНИТНОЙ НЕРЖАВЕЮЩЕЙ СТАЛИ “AISI 310”

В [15] изучали термодесорбцию водорода из образцов аустенитной нержавеющей стали “AISI 310", подвергнутых электрохимической зарядке различной длительности (1, 3, 19 и 52 ч) в потенциостатическом режиме при 545 мВ и 323 K. Термодесорбционные спектры получали [15] с использованием одной скорости нагрева (6 K/мин), для описания и интерпретации ТДС решали соответствующую диффузионную задачу.

Результаты анализа [5–9] ТДС данных [15] представлены в табл. 3, на рис. 3а и 3б. Полученное таким образом значение энергии активации для десорбционного процесса, отвечающего основному преобладающему пику № 1 (Q1AISI310 ≈ 36 кДж/моль(H)), близко к отмеченным выше (табл. 2) значениям для пика № 1 для ТРИП стали (Q1ТРИП ≈ 34 кДж/моль(H)) и стали “FB” (Q1FB ≈ 33 кДж/моль(H)), а также для двух пиков в железе (Q1Fe ≈ 27 кДж/моль(H), Q2Fe ≈ ≈ 34 кДж/моль(H)), но существенно отличается от значения энергии активации диффузии (QD[15] ≈ ≈ 52 кДж/моль(H)), приведенного в [15].

Таблица 3.  

Результаты обработки [5–9] термодесорбционных спектров водорода для аустенитной нержавеющей стали “AISI 310” [15] и для двухфазной нержавеющей стали “DSS” [16] в приближении реакций первого порядка

Пик # Tmax, K Q, кДж/моль K0, с–1 K(Tmax), с–1 Q*, кДж/моль γ (H/Fe)
Сталь “AISI 310” [15]. Аппроксимация гауссианами ТДС из рис. 3а и 3б
1 513 36.3 8.0 · 100 1.6 · 10–3 36.1 0.80 1.1 · 10–3
2 711 27.8 7.3 · 10–2 1.0 · 10–3 27.7 0.20 2.7 · 10–4
Сталь “DSS” (4 K/мин) [16]. Аппроксимация гауссианами ТДС из рис. 3в; компьютерное моделирование ТДС (рис. 3г)
1 321 48.6 2.7 · 105 3.6 · 10–3 46.2 0.14 5.3 · 10–2
2 357 90.7 9.4 · 1010 5.6 · 10–3 88.9 0.13 5.0 · 10–2
3 387 84.3 9.5 · 108 4.4 · 10–3 82.1 0.21 8.1 · 10–2
4 420 67.8 7.7 · 105 3.0 · 10–3 65.9 0.13 5.2 · 10–2
5 456 27.7 1.5 · 100 1.1 · 10–3 28.5 0.29 1.1 · 10–1
6 604 31.7 3.8 · 10–1 7.0 · 10–4 31.8 0.10 3.9 · 10–2
Сталь “DSS” (4 K/мин) [16]. Аппроксимация гауссианами ТДС из рис. 3д; компьютерное моделирование ТДС (рис. 3е)
1 307 50.2 1.4 · 106 4.3 · 10–3 50.5 0.02 9 · 10–4
2 356 86.5 2.5 · 1010 5.3 · 10–3 83.7 0.01 4 · 10–4
3 609 36.6 1.0 · 100 8.0 · 10–4 37.0 0.76 3.8 · 10–2
4 661 99.5 1.2 · 105 1.8 · 10–3 97.9 0.21 1.1 · 10–2
Рис. 3.

Анализ [5–9] ТДС водорода для ряда сталей: а) аппроксимация гауссианами ТДС (β = 6 K/мин) для аустенитной нержавеющей стали “AISI 310” [15], подвергнутой 19 ч электрохимической зарядке в потенциостатическом режиме при 545 мВ и 323 K; б) обработка ТДС (β = 6 K/мин, рис. 4 в [15]) для аустенитной нержавеющей стали “AISI 310”, подвергнутой электрохимической зарядке различной длительности (1, 3, 19 и 52 ч) в потенциостатическом режиме при 545 мВ и 323 K; в) аппроксимация гауссианами ТДС (β = 4 K/мин) для стали “DSS” [16], подвергнутой 24 ч катодной зарядке (при 50 мА · см–2); г) компьютерное моделирование в приближении реакций первого порядка ТДС (β = = 4 K/мин) для стали “DSS” [16], подвергнутой 24 ч катодной зарядке (при 50 мА · см–2); д) аппроксимация гауссианами ТДС (β = 4 K/мин) для стали “DSS” [16], подвергнутой 5 ч зарядке в газообразном H2 при 50 МПа и 573 K; е) компьютерное моделирование в приближении реакций первого порядка ТДС (β = 4 K/мин) для стали “DSS” [16], подвергнутой 5 ч зарядке в газообразном H2 при 50 МПа и 573 K.

Обработка ТДС данных (рис. 3б) для образцов, подвергнутых зарядке различной длительности, показывает, что процессы сорбции водорода, до предельного насыщения (Z1 и Z2) обратимых водородных “ловушек” в стали [15], протекают как реакции первого порядка. Константы скорости этих процессов близки к полученным значениям констант скорости (табл. 3) для аналогичных диффузионных процессов десорбции водорода из тех же обратимых “ловушек” в стали (при пересчете для 323 K).

РЕЗУЛЬТАТЫ ДЛЯ ДВУХФАЗНОЙ НЕРЖАВЕЮЩЕЙ СТАЛИ “DSS”

В [16] изучали термодесорбцию водорода из образцов нержавеющей стали “DSS”, подвергнутых катодной зарядке различной длительности (при 50 мА · см–2), а также 5 ч зарядке в газе (H2) при 50 МПа и 573 K. Термодесорбционные спектры получали с использованием трех скоростей нагрева (6, 4 и 2 K/мин), энергии активации (для необоснованно заниженного количества пиков) определяли [1] при помощи метода Киссинджера (при этом неправомерно использовали градусы Цельсия).

Результаты анализа [5–9] ТДС данных [16] представлены в табл. 3, на рис. 3в–3е. В образцах, подвергнутых катодной зарядке (при 50 мА · см–2), проявляются 6 или 7 пиков (состояний) с различной (но вполне “физичной”) энергией активации, а также c “физичными” значениями K0. Такое количество различных состояний водорода может быть связано с одновременным протеканием пластической деформации образца при такой высокой плотности тока, отвечающей высокому химическому потенциалу (и соответственно, высокому давлению) водорода.

В образцах, подвергнутых зарядке в газе (H2), проявляются 4 пика, при этом преобладает пик № 3, занимающий 76% площади спектра (рис. 3д). Следует отметить, что энергия активации для пика № 3 (Q3DSS ≈ 37 кДж/моль (H), табл. 3) близка (в пределах погрешности) к энергиям активации для пика № 1 в стали “AISI 310”, в стали “FB” и в ТРИП стали (табл. 2).

К ИНТЕРПРЕТАЦИИ РЕЗУЛЬТАТОВ ПО СТАЛЯМ

При интерпретации [8] результатов по сталям представляется целесообразным принять во внимание ряд исследований возможных эффективных обратимых водородных “ловушек”, в качестве которых могут служить различные фазоподобные (карбидоподобные, нитридоподобные, интерметаллидоподобные и др.) наносегрегации на дислокациях и границах зерен, поскольку содержание “захваченного” водорода в таких наносегрегациях может достигать гидридных (в т.ч карбогидридных) значений, а эффективная энергия связи может быть порядка 30–100 кДж/моль [21–24].

В дальнейших исследованиях по сталям представляется целесообразным анализировать ТДС данные [25–36].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Полученные результаты могут способствовать более глубокому пониманию атомных механизмов взаимодействия водорода с углеродными структурами и сталями, относящимися к материалам водородной и термоядерной энергетики.

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проект № 18-29-19149-мк).

Список литературы

  1. Wei F.-G., Enomoto M., Tsuzaki K. // Comput. Mater. Sci. 2012. V. 51. P. 322.

  2. Atsumi H., Kondo Y. // Fusion Engin. Des. 2018. V. 131. P. 49.

  3. Legrand E., Oudriss A., Savall C. et al. // Int. J. Hydrogen. Energy. 2015. V. 40. P. 2871.

  4. Ebihara K.-I., Kaburaki H., Suzudo T., Takai K. // ISIJ Int. 2009. V. 49. P. 1907.

  5. Nechaev Yu.S., Alexandrova N.M., Shurygina N.A. et al. // J. Nucl. Mater. 2020. V. 535. Art. No. 52162.

  6. Nechaev Yu.S., Alexandrova N.M., Shurygina N.A. et al. // Fuller. Nanotub. Carb. Nanostruct. 2020. V. 28. No. 2. P. 147.

  7. Nechaev Yu.S., Alexandrova N.M., Cheretaeva A.O. et al. // Int. J. Hydrogen. Energy. 2020. V. 45. No. 46. Art. No. 25030.

  8. Нечаев Ю.С., Родионова И.Г., Удод К.А. и др. // Пробл. черн. металл. и материаловед. 2013. № 4. С. 5.

  9. Заика Ю.В., Костикова Е.К., Нечаев Ю.С. // ЖТФ. 2021. Т. 91. № 2. С. 232; Zaika Yu.V., Kostikova E.K., Nechaev Yu.S. // Tech. Phys. Russ. J. Appl. Phys. 2021. V. 66. No. 2. P. 210.

  10. Rajasekaran S, Abilid-Pedersen F., Ogasawara H. et al. // Phys. Rev. Lett. 2013. V. 111. No. 8. Art. No. 085503.

  11. Денисов E.A., Компаниец Т.Н. // ЖТФ. 2001. Т. 71. № 2. С. 111; Denisov E.A., Kompaniets T.N. // Tech. Phys. Russ. J. Appl. Phys. 2001. V. 46. P. 240.

  12. Денисов E.A., Компаниец Т.Н., Юхимчук А.А. и др. // ЖТФ. 2013. Т. 83. № 6. С. 3; Denisov E.A., Kompaniets T.N., Yukhimchuk A.A. et al. // Tech. Phys. Russ. J. Appl. Phys. 2013. V. 58. P. 779.

  13. Компаниец Т.Н. // ВАНТ. Сер. термояд. синтез. 2009. № 3. С. 16.

  14. Escobar D.P., Verbeken K., Duprez L., Verhaege M. // Mater. Sci. Eng. A. 2012. V. 551. P. 50.

  15. Yagodzinskyy Y., Todoshchenko O., Papula S., Häanninen H. // Steel Res. Int. 2010. V. 82. No. 1. P. 20.

  16. Silverstein R., Eliezer D., Tal-Gutelmacher E. // J. Alloys. Comp. 2018. V. 747. P. 511.

  17. Sofo J.O., Chaudhari A.S., Barber G.D. // Phys. Rev. B. 2007. V. 75. Art. No. 153401.

  18. Elias D.C., Nair R.R., Mohiuddin T.M.G. et al. // Science. 2009. V. 323. P. 610.

  19. Nechaev Yu.S., Veziroglu T.N. // Int. J. Phys. Sci. 2015. V. 10. P. 54.

  20. Нечаев Ю.С. // УФН. 2006. Т. 176. № 6. С. 581; Nechaev Yu.S. // Phys. Usp. 2006. V. 49. No. 6. P. 563.

  21. Nechaev Yu.S., Öchsner A. // DDF. 2019. V. 391. P. 246.

  22. Нечаев Ю.С. // УФН. 2008. Т. 178. № 7. С. 709; Nechaev Yu.S. // Phys. Usp. 2008. V. 51. No. 7. P. 681.

  23. Nechaev Yu.S. // Sol. St. Phenom. 2008. V. 138. P. 91.

  24. Nechaev Yu.S., Filippov G.A. // DDF. 2001. V. 194–199. P. 1099.

  25. Escobar D.P., Depover T., Duprez L. et al. // Acta Mater. 2012. V. 60. P. 2593.

  26. Frappart S., Oudriss A., Feaugas X. et al. // Scr. Mater. 2011. V. 65. P. 859.

  27. Ebihara K.-I., Kaburaki H. // ISIJ Int. 2012. V. 52. No. 2. P. 181.

  28. Enomoto M., Hirakami D., Tarui T. // Metallurg. Mater. Trans. A. 2012. V. 43. No. 2. P. 572.

  29. Bergers K., De Souza E.C., Thomas I. et al. // Steel Res. Int. 2010. V. 81. No. 7. P. 499.

  30. Enomoto M., Hirakami D., Tarui T. // ISIJ Int. 2006. V. 46. No. 9. P. 1381.

  31. Wei F.G., Hara T., Tsuzaki K. // Metallurg. Mater. Trans. B. 2004. V. 35. No. 3. P. 587.

  32. Bar R., Dabah E., Eliezer D. et al. // Proc. Engin. 2011. V. 10. P. 3668.

  33. Ogorodnikova O.V., Zhou Z, Sugiyama K. et al. // Nucl. Fusion. 2017. V. 57. Art. No. 036010.

  34. Alimov V., Hatano Y., Sugiyama K. et al. // Fusion Engin. Des. 2016. V. 113. P. 336.

  35. Ryabtsev S.A., Gasparyan Yu.M., Harutyunyan Z.R. et al. // Phys. Scr. 2017. V. 170. Art. No. 014016.

  36. Рябцев С.А., Гаспарян Ю.М., Огородникова О.В. и др. // Поверхность. 2018. № 10. С. 96; Ryabtsev S.A., Gasparyan Yu.M., Ogorodnikova O.V. et al. // J. Surf. Invest. X-ray. Synchrotr. Neutr. Tech. 2018. V. 12. No. 5. P. 1032.

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска содержание выпуска

Известия РАН. Серия физическая

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал